斷層區(qū)域露天邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

牟 義,徐 慧,田靈濤,陳清通,李 偉,郭夏飛,吾木提江·許庫(kù)爾

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院,北京 100013; 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭 科學(xué)研究總院),北京 100013; 3.國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209; 4.木壘縣應(yīng)急管理局,新疆 昌吉 831999)

露天礦邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞,是多種影響因素共同作用的結(jié)果,不同影響因素引發(fā)的邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理不同[1]。對(duì)于不同邊坡,其影響環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)是不一樣的,對(duì)于某個(gè)特定邊坡要具體分析影響其穩(wěn)定性的原因,這也是掌握邊坡破壞模式和穩(wěn)定性的關(guān)鍵[2]。影響采場(chǎng)非工作幫邊坡穩(wěn)定的重要因素為人工開挖等工程活動(dòng)[3]。人工開挖包括坡面、基坑和地下開挖,其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響也是邊坡工程中的一個(gè)重要因素,人工開挖由于在極短時(shí)間內(nèi)改變了邊坡的地形特征和平衡條件,如處理不當(dāng),往往容易引發(fā)滑坡[4]。如近些年來在我國(guó)高速公路建設(shè)中發(fā)生的大量滑坡,很多都與路基施工時(shí)邊坡的切腳有關(guān)[5]。

對(duì)于露天礦端幫邊坡,除以上邊坡穩(wěn)定影響因素外,地質(zhì)構(gòu)造對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響也不容忽視,巖層組合特征、構(gòu)造的形態(tài)、構(gòu)造走向與傾角大小等,對(duì)邊坡穩(wěn)定性也起到至關(guān)重要的作用[6]。鄂爾多斯某露天礦井田外側(cè)西部鄰近高山地勢(shì),此山地勢(shì)較陡,整體地勢(shì)40°左右,局部地段達(dá)到80°,西部礦權(quán)境界處有棋盤井逆斷層,該斷層長(zhǎng)度大于6 km,傾角60°～70°,斷距大于300 m。受高山及斷層影響,在山坡處已出現(xiàn)2處裂縫,一處位于礦田外西北角,另一處位于礦田外西部靠南側(cè),采掘場(chǎng)西部最上部形成了高50 m的高邊坡,目前已出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。在棋盤井逆斷層經(jīng)過的其他露天礦邊坡,也有類似斷層影響下滑坡現(xiàn)象。為了預(yù)防滑坡造成安全事故發(fā)生,保障煤礦安全生產(chǎn),筆者從該礦邊坡破壞機(jī)理分析入手,進(jìn)行了邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性評(píng)價(jià),然后進(jìn)行了邊坡參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)優(yōu)化后邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),提出了安全可行的剝離邊坡方案,可為類似斷層影響下解決邊坡安全性問題提供借鑒。

1 邊坡概況

鄂爾多斯某露天礦邊坡存在2處滑坡區(qū)域:南部滑坡區(qū)域和北部滑坡區(qū)域。南部滑坡區(qū)域地表有1片裂縫區(qū)域、1塊剝挖治理區(qū)域和3塊滑坡區(qū)域,裂縫區(qū)域與剝挖治理區(qū)域連為一體,剝挖治理區(qū)域邊緣有2塊剝挖治理土方滑落形成的滑坡區(qū);北部滑坡區(qū)域有單獨(dú)的1片滑坡區(qū)域。南部滑坡區(qū)域裂縫長(zhǎng)度約460 m,寬約20 m,地表剝挖治理區(qū)域平面面積約7 350 m2,滑坡區(qū)域平面面積約為31 600 m2;北部滑坡區(qū)域平面面積約23 000 m2。裂縫、剝挖及滑塊區(qū)域如圖1所示。

圖1 邊坡滑坡區(qū)域Fig.1 Slope landslide area

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘,滑坡體可見多處拉張裂縫,裂縫寬度0.2～2.2 m。整個(gè)滑坡可分為3個(gè)滑塊呈階梯狀,滑坡后緣壁向下延伸,形成后緣平臺(tái),隨后傾角變緩,形成滑坡臺(tái)坎,前緣鼓脹突起。推斷滑體地層巖性:二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)由厚層狀含礫粗砂巖、砂巖等組成,下統(tǒng)山西組(P1s)主要由粗砂巖、中砂巖、砂質(zhì)泥巖及炭質(zhì)泥巖、煤層組成,局部夾黏土巖,滑體整體透水性較強(qiáng),而滑動(dòng)帶地層為砂質(zhì)泥巖,其透水能力差,遇水濕滑。調(diào)查顯示,滑坡區(qū)構(gòu)造特征為存在棋盤井逆斷層(F1逆斷層),該斷層位于露天礦區(qū)西部邊界,系滑坡區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造,為一低角度逆沖推覆斷層。該斷裂上盤為奧陶系灰?guī)r地層,下盤為二疊系砂巖、泥巖和石炭系。斷層破碎帶內(nèi)巖石呈粉末狀且出現(xiàn)斷層泥。上述地質(zhì)特征均有利于滑坡產(chǎn)生,而且該邊坡由于露天煤礦開采、開挖坡腳導(dǎo)致斜坡體前緣應(yīng)力缺失、穩(wěn)定性遭到破壞,最終導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生[7-8]。

2 邊坡剖面與巖土力學(xué)參數(shù)

2.1 邊坡剖面選取

選取的平剖面線位于礦區(qū)西部南側(cè),北偏東117°,長(zhǎng)約590 m,起源于西部邊界附近的滑坡區(qū),向東南依次穿越+1 373、+1 353、+1 348、+1 321、+1 307、+1 292、+1 262、+1 246 m等臺(tái)階,剖面形狀如圖2所示。

圖2 剖面形狀Fig.2 Profile morphology

2.2 巖石力學(xué)參數(shù)

通過整理、分析以往礦區(qū)試驗(yàn)資料,并結(jié)合類似礦山巖土體物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行歸納、總結(jié),采用強(qiáng)度折減法得出該礦邊坡穩(wěn)定性分析的巖土體物理力學(xué)指標(biāo)推薦值(表1)[9-10]。參照其他相關(guān)資料,初步確定排土場(chǎng)剝離物綜合力學(xué)指標(biāo)(表2)[11]。

第四系坡體曾發(fā)生過滑坡,在地層巖性分布的基礎(chǔ)上,綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查所得的坡體表面風(fēng)化信息,基于自然邊坡穩(wěn)定性分析確定的危險(xiǎn)滑移面,選取安全系數(shù)0.98～1.02,對(duì)工點(diǎn)各邊坡巖土參數(shù)采用靜力法進(jìn)行指標(biāo)反演分析[12-13],分析結(jié)果如圖3所示。反算得到第四系坡體強(qiáng)度參數(shù)c=50.0 kPa,φ=18°。

表1 巖石力學(xué)指標(biāo)推薦Tab.1 Recommended rock mechanics indicators

表2 排土場(chǎng)剝離物綜合力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of comprehensive mechanical indicators of stripped materials in waste disposal sites

圖3 剖面分析結(jié)果Fig.3 Profile analysis results

3 邊坡變形破壞機(jī)理分析

構(gòu)建該露天礦研究區(qū)域典型邊坡剖面計(jì)算模型,通過有限差分法計(jì)算并分析邊坡水平位移場(chǎng)、豎直位移場(chǎng)、切應(yīng)變?cè)隽康戎店幱皥D、塑性破壞區(qū)分布以及位移矢量圖,確定邊坡潛在滑動(dòng)部位與滑面形狀,并依此預(yù)計(jì)邊坡總體變形破壞趨勢(shì)[14-15]。

計(jì)算中的巖體采用理想彈塑性本構(gòu)模型Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則描述:

式中,σ1、σ3分別為最大和最小主應(yīng)力;c、φ分別為黏聚力和內(nèi)摩擦角。

當(dāng)fs>0時(shí),材料將發(fā)生剪切破壞。數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠度很大程度上依賴于計(jì)算模型的建立,即巖體力學(xué)參數(shù)、本構(gòu)模型及邊界條件選取的可靠性與合理性[16-17]。結(jié)合研究區(qū)域邊坡變形和地貌特征,對(duì)剖面構(gòu)建分析模型如圖4所示。模型的前、后、左、右邊界為截離邊界,模型前、后邊界以Y方向位移約束,模型左、右邊界以X方向位移約束,模型底部邊界以Z方向位移約束,從而構(gòu)成位移邊界條件,以保持整個(gè)系統(tǒng)的受力平衡[18-19]。

邊坡水平位移云圖和水平速度云圖如圖5所示。由圖5可以看出,坡體變形區(qū)域?yàn)?1 353 m和+1348m臺(tái)階,其余區(qū)域基本保持穩(wěn)定。+1353m和+1 348 m臺(tái)階區(qū)域以及下部+1 307 m臺(tái)階區(qū)域存在水平變形速度增大現(xiàn)象。

圖5 坡體水平位移、速度云圖Fig.5 Horizontal displacement and velocity cloud map of slope body

坡體總應(yīng)力分布圖和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D如圖6所示。由圖6可知,坡體不存在應(yīng)力集中分布區(qū)域和剪應(yīng)力增量明顯增大區(qū)域,不存在塑性變形區(qū)域。因此,坡體目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 坡體總應(yīng)力、剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D Fig.6 Cloud map of total stress and shear strain increment of slope body

4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與優(yōu)化研究

4.1 現(xiàn)狀穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

采用極限平衡法,建立模型計(jì)算邊坡安全系數(shù),如圖7所示,邊坡最下部臺(tái)階(+1 292～+1 246 m臺(tái)階)滑動(dòng)安全系數(shù)為1.403(圖7(a)),坡體中部臺(tái)階(+1 348～+1 307 m臺(tái)階)滑動(dòng)安全系數(shù)為1.675(圖7(b)),均大于1.2,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性Fig.7 Current stability of slope

4.2 邊坡參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

邊坡現(xiàn)狀最小安全系數(shù)為1.403,大于1.2,處于穩(wěn)定狀態(tài),且抗滑力大于滑動(dòng)力較多。為了保證邊坡安全情況下盡可能將煤炭資源采出,需要對(duì)邊坡參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,保障利益最大化。設(shè)計(jì)邊坡參數(shù)優(yōu)化采用4種方案,邊坡角均按照優(yōu)化設(shè)計(jì)37°、臺(tái)階角度均按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的70°來確定,方案1從+1 307 m臺(tái)階開始到坑底16煤,方案2從+1 348 m臺(tái)階開始到坑底16煤,方案3從優(yōu)化設(shè)計(jì)確定的地表界線(+1 348 m臺(tái)階處)開始到坑底16煤,方案4從+1 353 m臺(tái)階開始到優(yōu)化設(shè)計(jì)確定的坑底界線(16煤)。優(yōu)化臺(tái)階如圖8所示。

圖8 邊坡參數(shù)優(yōu)化Fig.8 Optimization of slope parameters

方案1優(yōu)化區(qū)域?yàn)閺?1 307 m臺(tái)階開始到坑底16煤,+1 307 m以上臺(tái)階保持不變。將下部+1 307、+1 292、+1 262 m臺(tái)階平行向前推進(jìn),臺(tái)階+1 307 m以下坡體角度設(shè)計(jì)為37°,整體邊坡角,臺(tái)階+1 307 m向前推進(jìn)65 m。方案2優(yōu)化區(qū)域?yàn)閺?1 348 m臺(tái)階開始到坑底16煤,+1 348 m以上臺(tái)階不變,坡體剝離至+1 348 m臺(tái)階,+1 348 m臺(tái)階以下坡體角度設(shè)計(jì)為37°。方案3優(yōu)化區(qū)域?yàn)閮?yōu)化設(shè)計(jì)確定的地表界線(+1 348 m臺(tái)階處)開始到坑底16煤,地表界線以上臺(tái)階不變。在方案2基礎(chǔ)上將+1 348 m臺(tái)階以下坡體整體推進(jìn)17.5 m。方案4優(yōu)化區(qū)域?yàn)閺?1 353 m臺(tái)階開始到優(yōu)化設(shè)計(jì)確定的坑底界線(16煤),+1 353 m以上臺(tái)階不變,將下部坡體剝離推進(jìn)至+1 353 m臺(tái)階,推進(jìn)距離50 m,+1 353 m臺(tái)階以下坡體角度設(shè)計(jì)為37°。

優(yōu)化方案臺(tái)階布置平面如圖9所示。

4.3 優(yōu)化后穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)4種優(yōu)化方案建立模型,采用極限平衡法計(jì)算各方案邊坡穩(wěn)定性如圖10—圖13所示。搜索潛在滑移面優(yōu)化方案1滑移范圍為+1 348～+1 277 m臺(tái)階,臨界滑動(dòng)面安全系數(shù)為1.308(圖10(a)),滑移范圍+1 353～+1 259 m臺(tái)階,臨界滑動(dòng)面安全系數(shù)為1.388(圖10(b))?？够笥诨瑒?dòng)力,安全系數(shù)均大于1.2,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

搜索潛在滑移面優(yōu)化方案2滑移范圍+1 348～+1 277 m臺(tái)階,臨界滑動(dòng)面安全系數(shù)為1.266(圖11(a)),滑移范圍+1 353～+1 257 m臺(tái)階,臨界滑動(dòng)面安全系數(shù)為1.306(圖11(b))?？够Υ笥诨瑒?dòng)力,安全系數(shù)均大于1.2,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

搜索潛在滑移面優(yōu)化方案3滑移范圍+1 353～+1 277 m臺(tái)階,臨界滑動(dòng)面安全系數(shù)為1.166(圖12(a)),滑移范圍從坡頂?shù)谒南蹬_(tái)階至+1 277 m臺(tái)階,臨界滑動(dòng)面安全系數(shù)為1.304(圖12(b))。抗滑力大于滑動(dòng)力,安全系數(shù)均小于1.2,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),安全系數(shù)不足。

優(yōu)化方案4臨界滑動(dòng)面安全系數(shù)為1.133(圖13(a))和1.172(圖13(b)),滑移面范圍從不同遠(yuǎn)近坡頂?shù)谒南抵?1 277 m臺(tái)階,為多臺(tái)階滑動(dòng)?？够Υ笥诨瑒?dòng)力,安全系數(shù)小于1.2,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),安全系數(shù)不足。

經(jīng)過對(duì)不同優(yōu)化方案計(jì)算分析可知,方案1—4邊坡最小安全系數(shù)分別為1.308、1.266、1.166和1.133,安全系數(shù)均大于1,抗滑力大于滑動(dòng)力,坡體均未發(fā)生失穩(wěn)。但出于安全要求,邊坡安全系數(shù)必須大于1.2,方案3和方案4不滿足安全要求,方案1和方案2滿足安全要求,方案2資源采出率更高。因此,方案2為最優(yōu)方案。鑒于目前現(xiàn)狀,建議前期采用方案1,剝采結(jié)束后,對(duì)邊坡穩(wěn)定狀況進(jìn)行進(jìn)一步論證,再采用方案2繼續(xù)剝采。

圖9 優(yōu)化方案臺(tái)階布置平面Fig.9 Layout plan of optimization plan step

圖10 優(yōu)化方案1邊坡穩(wěn)定性計(jì)算Fig.10 Optimization scheme 1 slope stability calculation

圖11 優(yōu)化方案2邊坡穩(wěn)定性計(jì)算Fig.11 Optimization scheme 2 slope stability calculation

圖12 優(yōu)化方案3邊坡穩(wěn)定性計(jì)算Fig.12 Optimization scheme 3 slope stability calculation

圖13 優(yōu)化方案4邊坡穩(wěn)定性計(jì)算Fig.13 Optimization scheme 4 slope stability calculation

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析該露天礦西部端幫邊坡情況,結(jié)合該礦地質(zhì)條件,分析西部端幫邊坡土巖物理力學(xué)特性,確定巖土物理力學(xué)參數(shù),建立剖面數(shù)值模型。通過有限差分法進(jìn)行邊坡變形破壞機(jī)理分析,基于剝挖現(xiàn)狀對(duì)西部邊坡現(xiàn)狀進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià),并對(duì)西部邊坡進(jìn)行了4種方案的參數(shù)優(yōu)化,對(duì)優(yōu)化后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,對(duì)比提出了推薦方案。

(1)該煤礦西側(cè)邊坡存在2處滑坡區(qū)域:南部滑坡區(qū)域和北部滑坡區(qū)域。南部滑坡區(qū)域地表有1片裂縫區(qū)域、1塊剝挖治理區(qū)域和3塊滑坡區(qū)域,裂縫區(qū)域與剝挖治理區(qū)域連為一體,剝挖治理區(qū)域邊緣有2塊剝挖治理土方滑落形成的滑坡區(qū);北部滑坡區(qū)域有單獨(dú)的1片滑坡區(qū)域。南部滑坡區(qū)域裂縫長(zhǎng)約460 m、寬約20 m,地表剝挖治理區(qū)域平面面積約7 350 m2,滑坡區(qū)域平面面積約為31 600 m2;北部滑坡區(qū)平面面積約23 000 m2。

(2)通過整理、分析以往礦區(qū)試驗(yàn)資料,并結(jié)合類似礦山巖土體物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行歸納、總結(jié),采用強(qiáng)度折減法得出該礦此次邊坡穩(wěn)定分析的巖土體物理力學(xué)指標(biāo)推薦值。通過極限平衡分析,計(jì)算邊坡現(xiàn)狀最小安全系數(shù)為1.403,邊坡安全系數(shù)大于1.2,滿足安全生產(chǎn)要求。

(3)設(shè)計(jì)4種邊坡參數(shù)優(yōu)化方案,分別對(duì)4種方案邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果顯示,4種方案邊坡安全系數(shù)分別為1.308、1.266、1.166和1.133。方案1和方案2邊坡安全系數(shù)大于1.2,均滿足安全要求,方案2資源采出率更高。因此,方案2既能保證邊坡安全,又能實(shí)現(xiàn)資源回收率最大。鑒于目前現(xiàn)狀,建議前期采用方案1,剝采結(jié)束后,對(duì)邊坡穩(wěn)定狀況開展進(jìn)一步論證,再采用方案2繼續(xù)剝采。